基于結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的寬頻帶圓極化寬槽天線設(shè)計(jì)案例

看到參考文獻(xiàn)中的天線設(shè)計(jì)思路比較新穎有趣，就嘗試通過仿真實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在的仿真結(jié)果和文獻(xiàn)中的結(jié)果一致性很好。在仿真過程中發(fā)現(xiàn)，文獻(xiàn)中存在部分參數(shù)未提供，部分參數(shù)抄寫錯誤的情況，也在本例最后提供了參數(shù)修正參考表。

1

背景簡介

通過結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化實(shí)現(xiàn)寬槽天線的寬頻帶圓極化特性，通常需要同時(shí)優(yōu)化多個結(jié)構(gòu)參數(shù)（通常為 20-30 個參數(shù)），大量的參數(shù)掃描和參數(shù)尋優(yōu)工作使得天線的設(shè)計(jì)難度很大。文獻(xiàn) Ubaid Ulah and Slawomir Koziel, “A Geometrically Simple Compact Wideband Circularly Polarized Antenna,” IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., vol. 18, no. 6, pp. 1179-1183 June. 2019. 中提出了一種根據(jù)設(shè)計(jì)意圖，逐步更改天線的拓?fù)洌瑢?shí)現(xiàn)寬槽天線的寬頻帶圓極化的設(shè)計(jì)方案。本文參考上述文獻(xiàn)的設(shè)計(jì)思路，應(yīng)用 ANSYS HFSS 軟件，實(shí)現(xiàn)了一種基于寬槽天線的寬頻帶圓極化天線設(shè)計(jì)。

本文研究的寬槽天線（Antenna_1）的基板材質(zhì)是 RO4003C（er=3.38，tan(δ)=0.0027，h=0.813mm），其頂視圖和仰視圖如下圖所示。設(shè)計(jì)目標(biāo)是在 3GHz 至 9GHz 的寬頻帶范圍內(nèi)，優(yōu)化天線的 S 參數(shù)和軸比。

?

根據(jù)以往的天線設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，上述天線的阻抗匹配帶寬很窄，并且是線性極化的。拓?fù)鋬?yōu)化的第一步是為了增加圓極化所需的 Ex 和 Ey 分量，在微帶線上方加入一個倒 L 形狀的高阻抗寄生貼片（Antenna_2）。這一步的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)天線在 7GHz 附近具備圓極化特性。

?

拓?fù)鋬?yōu)化的第二步是優(yōu)化背板拓?fù)?，進(jìn)一步增加圓極化所需的 Ex 和 Ey 分量（Antenna_3）。這一步的設(shè)計(jì)目標(biāo)是改善天線的阻抗匹配特性和圓極化特性。

拓?fù)鋬?yōu)化的第三步是調(diào)整天線共面地的高度（Antenna_4），通過增大共面地的面積進(jìn)一步改善天線的阻抗匹配和圓極化特性。

上述優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，每一步涉及的結(jié)構(gòu)參數(shù)均不超過 4 個，極大的降低了參數(shù)尋優(yōu)的工作量。

2

HFSS 仿真流程和結(jié)果
2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)（mm）

?

在 Antenna_1 仿真時(shí)，取 Lg1=4mm，Lg2=4mm，Wc=28mm。

2.2 仿真結(jié)果
上述天線的 S 參數(shù)和軸比計(jì)算結(jié)果如下圖所示。計(jì)算結(jié)果表明，每一步的拓?fù)鋬?yōu)化都實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目的，最終的設(shè)計(jì)結(jié)果基本上實(shí)現(xiàn)了 4GHz 至 7GHz 范圍內(nèi)的圓極化（S11<-10dB,AR<3）。

?

Antenna_4，5GHz 時(shí)表面的電流分布如下圖所示（0 度，90 度，180 度，270 度），呈現(xiàn)出隨相位角的周期變化，表明天線具有圓極化的特性。

?

?

?

Antenna_4，7GHz 時(shí)表面的電流分布如下圖所示（0 度，90 度，180 度，270 度），呈現(xiàn)出隨相位角的周期變化，表明天線具有圓極化的特性。

?

?

?

Antenna_4，3.5GHz、4.5GHz、5.5GHz、6.5GHz、7.5GHz 時(shí)，在 XOZ 平面內(nèi)，左旋增益和右旋增益的對比如下圖所示，表明天線是左旋圓極化的。

?

?

?

?

Antenna_4，3.5GHz、4.5GHz、5.5GHz、6.5GHz、7.5GHz 時(shí)，在 YOZ 平面內(nèi)，左旋增益和右旋增益的對比如下圖所示，表明天線是左旋圓極化的。

?

?

?

?

3 結(jié)論
傳統(tǒng)的單點(diǎn)饋電寬槽天線是窄帶線性極化天線；

本文基于一種新的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法實(shí)現(xiàn)了對上述天線的寬頻帶圓極化改進(jìn)；

ANSYS HFSS 軟件的仿真結(jié)果（端口參數(shù)、軸比、天線表面電場分布、遠(yuǎn)場圓極化增益）與文獻(xiàn)中的計(jì)算結(jié)果具有高度的一致性；

上述的結(jié)論表明，ANSYS HFSS 計(jì)算精度高，后處理能力完備，適用于天線設(shè)計(jì)。

后記：?
為便于后續(xù)的仿真參考，這里也將文獻(xiàn)中結(jié)構(gòu)參數(shù)的勘誤表一并發(fā)出來：

文獻(xiàn)中未提供的參數(shù)如下：

Wm = 1.35mm， Antenna_1 中，Lg1 = 4mm，Lg2 = 4mm， Wc = 28mm

文獻(xiàn)中抄寫錯誤的參數(shù)如下：

g = 0.6325 mm（基于作者的另一篇文獻(xiàn)）

Lv = 9.88 mm （即原文中的 Lv + Wh）

Ls1 = 10.35 mm （即原文中的 Ws2）

Ls2 = 8.33 mm （即原文中的 Ws1）

Ws1 = 8.27 mm （即原文中的 Ls2）

Ws2 = 6.24 mm （即原文中的 Ls1）

Lg2 = 4.96mm （原文中為 5.96mm）